計算機組成原理第一章計算機系統(tǒng)概論

概述計算機組成原理：主要指計算機硬件的實現(xiàn)方法及工作原理從三方面掌握本課程內(nèi)容:硬件結(jié)構(gòu):從物理上邏輯上掌握計算機各部件的構(gòu)成和作用實現(xiàn)方式:硬件連接方式和內(nèi)部處理方式(如控制器和運算器的實現(xiàn)方式)工作原理:計算機內(nèi)部各部件工作過程本課程的重要地位計算機組成原理是計算機相關專業(yè)的核心專業(yè)課程，對后續(xù)課程(計算機網(wǎng)絡，單片機，嵌入式)的學習十分重要，也是考研專業(yè)課。通過本課程的學習主要掌握:單處理機系統(tǒng)的組成及工作原理，分析說明計算機由哪些功能部件組成，結(jié)構(gòu)，功能，以及他們?nèi)绾瓮瓿筛髯苑峙涞娜蝿?。學習難點：內(nèi)容多，結(jié)果復雜，數(shù)字邏輯是基礎學習方法：分析結(jié)構(gòu)，弄清原理，多做練習主要內(nèi)容計算機系統(tǒng)概述運算方法和運算器(數(shù)據(jù)的表示，編碼。包括數(shù)值，非數(shù)值數(shù)據(jù)，整數(shù)，小數(shù)，漢字，校驗碼。定點運算，浮點運算，邏輯運算）存儲器系統(tǒng)(存儲器芯片的結(jié)構(gòu)和功能，存儲器的組成與連接，高速存儲器，Cache)指令系統(tǒng)(指令格式，尋址方式，典型指令)CPU(組成和工作原理，控制器的實現(xiàn))總線系統(tǒng)(總線的作用，分類，控制和通信)輸入輸出系統(tǒng)(控制方式)2023/1/314第一章計算機系統(tǒng)概論1.1計算機的分類1.2計算機發(fā)展簡史1.3計算機的硬件1.4計算機的軟件1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2023/1/3151.1計算機的分類一、電子計算機從總體上來說分為兩大類。電子模擬計算機?！澳M”就是相似的意思。模擬計算機的特點是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的。電子數(shù)字計算機，它是在算盤的基礎上發(fā)展起來的，是用數(shù)目字來表示數(shù)量的大小。數(shù)字計算機的主要特點是按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算。2023/1/3161.1計算機的分類數(shù)字計算機模擬計算機數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0/1電壓計算方式數(shù)字計數(shù)電壓組合和測量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數(shù)據(jù)存儲量大小邏輯判斷能力強無數(shù)字計算機與模擬計算機的主要區(qū)別2023/1/3171.1計算機的分類二、數(shù)字計算機分類數(shù)字計算機根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應性來劃分，可以劃分為兩類：專用計算機：專用機是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但是它的適應性很差。通用計算機：通用計算機適應性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。2023/1/3181.1計算機的分類三、通用計算機分類 通用計算機根據(jù)體積、簡易性、功率損耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機器價格等可以分為：超級計算機大型機服務器PC機單片機多核機演示第一臺vonNeumann系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機IBM/360集成電路計算機小型化超級計算機IBMRoaddrunner(走鵲)IBM為美國能源部所屬的國家核能安全管理部（NationalNuclearSecurityAdministration，NNSA）建立的超級電腦

129600個計算核心，最大平均速度1105000GFLOPSCrayXT5Jaguar美洲虎美國Cray公司建造的一臺超級電腦,位于橡樹嶺國家實驗室造價一億美金,整個系統(tǒng)的內(nèi)存容量達到300TB，硬盤空間高達10PB1PB=1024TB1TB=1024GB

150152個計算核心，最大平均速度1059000GFLOPSIBMJUGENE-BlueGene/P(尤金)德國尤利希超級計算機中心所研制,294912個計算核心，最大平均速度825500GFLOPSSGIPleiades系統(tǒng)美宇航局埃姆斯研究中心51200個計算核心，最大平均速度487005GFLOPS天河2號在德國舉行的2015年國際超級計算機大會上發(fā)布全球超級計算機500強最新榜單，中國“天河二號”以每秒33.86千萬億次的浮點運算速度第五次蟬聯(lián)冠軍,312萬個計算核心,1.404PB內(nèi)存，而外部存儲器容量方面更是高達12.4PB.

天河二號逐步在生命科學、材料科學、大氣科學、地球物理、宇宙、經(jīng)濟學，以及大型基因組組裝、基因測序、污染治理等一系列事關國計民生的大科學、大工程中“大顯身手”

1.2計算機發(fā)展簡史1.2.1計算機的五代變化1.2.2半導體存儲器的發(fā)展1.2.3微處理器的發(fā)展1.2.4計算機的性能指標

2023/1/31162023/1/31171.2計算機發(fā)展簡史1.2.1計算機的五代變化第一代為1946—1957年，電子管計算機：數(shù)據(jù)處理第二代為1958—1964年，晶體管計算機：工業(yè)控制第三代為1965—1971年，中小規(guī)模集成電路計算機：小型計算機第四代為1972—1990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機：微型計算機第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機：單片機2023/1/31181.2計算機發(fā)展簡史1.2.2半導體存儲器的發(fā)展20世紀50～60年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)1970年，仙童半導體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導體存儲器從1970年起，半導體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。其中1K=210,1M=220,1G=230,1T=240,1P=2502023/1/31191.2計算機發(fā)展簡史1.2.3微處理器的發(fā)展1971年Intel公司開發(fā)出Intel4004。這是第一個將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品，于是，微處理器誕生了。微處理器演變中的另一個主要進步是1972年出現(xiàn)的Intel8008，這是第一個8位微處理器，它比4004復雜一倍。1974年出現(xiàn)了Intel8080。這是第一個通用微處理器，而4004和8008是為特殊用途而設計的。8080是為通用微機而設計的中央處理器。20世紀70年代末才出現(xiàn)強大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。這一發(fā)展趨勢中的另一階段是在1981年，貝爾實驗室和HP公司開發(fā)出了32位單片微處理器。Intel于1985年推出了32位微處理器Intel80386。到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器Intel公司的典型微處理器產(chǎn)品

80808位1974年6000個晶體管808616位1979年2.9萬個晶體管8028616位1982年13.4萬個晶體管8038632位1985年27.5萬個晶體管8048632位1989年120.0萬個晶體管Pentium64位（準）1993年310.0萬個晶體管PentiumPro64位（準）1995年550.0萬個晶體管PentiumⅡ64位（準）1997年750.0萬個晶體管PentiumⅢ64位（準）1999年950.0萬個晶體管PentiumⅣ64位2000年4200.0萬個晶體管2007年芯片上可集成3億5千萬

個晶體管2012年芯片上可集成8億

個晶體管1.2計算機發(fā)展簡史1.2.4計算機的性能指標

吞吐量表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。

響應時間表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。

利用率表示在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示。

處理機字長指處理機運算器中一次能夠完成二進制數(shù)運算的位數(shù)。當前處理機的字長有8位、16位、32位、64位。

字長越長，表示計算的精度越高。2023/1/31211.2計算機發(fā)展簡史1.2.4計算機的性能指標

總線寬度一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內(nèi)部總線二進制位數(shù)。

2023/1/3122

存儲器容量存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示存儲器容量越大，記憶的二進制數(shù)越多存儲器帶寬存儲器的速度指標，單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。主頻/時鐘周期

CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機為60MHz～266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。1.2計算機發(fā)展簡史1.2.4計算機的性能指標

主頻的倒數(shù)稱為時鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒

1指令周期=n機器周期=nm時鐘周期(順序環(huán)形脈沖發(fā)生器)

CPU執(zhí)行時間表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間，可用下式計算：

CPU執(zhí)行時間＝CPU時鐘周期數(shù)×CPU時鐘周期長

CPI表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。用下式計算：

CPI＝

MIPS表示每秒百萬條指令數(shù)，用下式計算：

MIPS＝

＝2023/1/31231.2計算機發(fā)展簡史1.2.4計算機的性能指標

程序執(zhí)行時間Te為：

Te＝

MFLOPS表示每秒百萬次浮點操作次數(shù)，用下式計算：

MFLOPS＝

MIPS是單位時間內(nèi)的執(zhí)行指令數(shù)，所以MIPS值越高說明機器速度越快。

MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用來衡量機器浮點操作的性能，而不能體現(xiàn)機器的整體性能。

GFLOPS(gigaFLOPS)等于每秒10億(=10^9)次TFLOPS(teraFLOPS)等于每秒1萬億(=10^12)

PFLOPS(petaFLOPS)等于每秒1千萬億(=10^15)

該技術指標一般在超級計算機中使用。

2023/1/31241.2計算機發(fā)展簡史1.2.4計算機的性能指標

例1.1：對于一個給定的程序，IN表示執(zhí)行程序中的指令總數(shù)，tCPU表示執(zhí)行該程序所需的CPU時間，T為時鐘周期，f為時鐘頻率（T的倒數(shù)），NC為CPU時鐘周期數(shù)。設CPI表示每條指令的平均時鐘周期數(shù)，MIPS表示每秒鐘執(zhí)行的百萬條指令數(shù)，請寫出如下四種參數(shù)的表達式：

(1)tCPU

(2)CPI

(3)MIPS

(4)NC

2023/1/31251.2計算機發(fā)展簡史2023/1/31261.2.4計算機的性能指標1.3計算機的硬件1.3.1硬件組成要素1.3.2運算器1.3.3存儲器1.3.4控制器1.3.5適配器與I/O設備2023/1/31282023/1/31291.3計算機的硬件1.3.1硬件組成要素 通過一個例子我們來了解數(shù)字計算機的主要組成和工作原理。假設給一個算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，要求我們計算y=ax+b-c這樣一個題目。解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格紙上，請看過程。2023/1/3130一、手工模仿計算機工作指令格式操作碼地址碼假設8種指令需要二進制代碼加法001減法010乘法011除法100取數(shù)101存數(shù)110打印111停機0003位指令和數(shù)據(jù)在存儲器中用二進制代碼存儲11011001201111003001101040101011511011016111*****(????????)7000*****(????????)89a10b11c12x13y編程舉例計算ax2+bx+c取x

至運算器中乘以x

在運算器中乘以a運算器中存ax2

在存儲器中取b

至運算器中乘以x

在運算器中加ax2在運算器中加c

在運算器中=(ax+b)x+c

取x

至運算器中乘以a

在運算器中加b

在運算器中乘以x

在運算器中加c

在運算器中計算ax2+bx+c

程序清單指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000010000001000取數(shù)x至ACC10001000000001001乘a得ax

,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b

,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c

,存于ACC50000100000001100將ax2+bx+c

,存于主存單元60001010000001100打印7000110停機8

x原始數(shù)據(jù)x9

a原始數(shù)據(jù)a10

b原始數(shù)據(jù)b11

c原始數(shù)據(jù)c12存放結(jié)果2023/1/31351.3計算機的硬件二、數(shù)字計算機基本組成控制器：人的大腦的操作控制功能運算器：人的大腦的計算功能存儲器：人的大腦記憶功能輸入設備：交互接口，筆輸出設備：交互接口，紙2023/1/31361.3計算機的硬件三、馮·諾依曼型計算機

存儲程序按地址自動執(zhí)行五大部件：包括控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備以運算器為中心2023/1/31371.3計算機的硬件馮·諾依曼型計算機存儲器輸出輸入運算器控制器數(shù)據(jù)信號控制信號地址信號1.3計算機的硬件計算機的組成結(jié)構(gòu)2023/1/31382023/1/31391.3計算機的硬件1.3.2運算器算術運算和邏輯運算在計算機中參與運算的數(shù)是二進制的運算器的長度一般是8、16、32或64位2023/1/31401.3計算機的硬件1.3.3存儲器存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存存儲器單位：1KB＝210B1MB＝220B1GB＝230B1TB＝240B2023/1/31411.3計算機的硬件1.3.4控制器指令和程序:指令的形式（操作和地址碼、存儲程序的概念、指令中程序和數(shù)據(jù)的存放、指令系統(tǒng)）指令和數(shù)據(jù)存儲2023/1/31421.3計算機的硬件七、控制器的基本任務控制器的基本任務：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。取指周期和執(zhí)行周期控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。一般來講，取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；而在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器。2023/1/31431.3計算機的硬件1.3.5適配器與I/O設備輸入設備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設備所能接收和識別的信息形式適配器：它使得被連接的外圍設備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯(lián)系，以便使主機和外圍設備并行協(xié)調(diào)地工作總線：構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。 總之，現(xiàn)代電子計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設備組成的。這也是人們常說的計算機硬件。2023/1/31441.4計算機的軟件1.4.1軟件的組成與分類 計算機軟件相對計算機硬件來說是看不見，是計算機系統(tǒng)中不可少的無形部件。主要有兩大類：系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。它包括以下四類：①各種服務性程序，如診斷程序、排錯程序、練習程序等②語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等③操作系統(tǒng)④數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應用軟件：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序，如工程設計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學計算程序等2023/1/31451.4計算機的軟件1.4.2軟件的發(fā)展演變編程語言的發(fā)展手編程序：機器語言程序，手工編譯二進制碼匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編高級程序：算法語言/高級語言，機器編譯程序/解釋程序系統(tǒng)軟件的發(fā)展操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)軟件2023/1/31461.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.5.1多級計算機系統(tǒng)計算